劉 沛

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031)

隨著全國(guó)鐵路和城市軌道交通項(xiàng)目的大力建設(shè)，BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)技術(shù)也逐步應(yīng)用于鐵路和城軌領(lǐng)域。同時(shí)，一系列建筑信息化等國(guó)家政策和標(biāo)準(zhǔn)相繼出臺(tái)，鐵路勘察設(shè)計(jì)單位在隧道、橋梁等站前工程方面逐步突破了利用BIM技術(shù)進(jìn)行正向設(shè)計(jì)，但在鐵路站后工程方面仍是空白[1-2]。鐵路站場(chǎng)作為鐵路工程領(lǐng)域最具代表性的大型綜合性站后工程，其BIM正向設(shè)計(jì)極其復(fù)雜，而場(chǎng)坪作為站場(chǎng)工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行BIM正向設(shè)計(jì)研究是鐵路站場(chǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化三維設(shè)計(jì)的首要任務(wù)[3-5]。

目前，國(guó)內(nèi)外鐵路站場(chǎng)場(chǎng)坪設(shè)計(jì)多采用傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)模式，盡管個(gè)別勘察設(shè)計(jì)單位借鑒公路停車場(chǎng)地設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)坪的三維建模，但幾乎均是在二維圖紙的基礎(chǔ)上進(jìn)行建模工作，這與正向設(shè)計(jì)原則嚴(yán)重不符[6-8]。以某鐵路站場(chǎng)場(chǎng)坪工程BIM正向設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)，越行站場(chǎng)坪為研究對(duì)象，以全新的三維設(shè)計(jì)手段，在三維空間中以三維地形模型和三維線路模型為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，輔以參數(shù)化橫斷面設(shè)計(jì)與分段里程橫斷面參數(shù)控制的方式。按照不同階段的需求，利用Bentley-ORD軟件自身的功能和對(duì)其二次開發(fā)的工具，設(shè)計(jì)出具備全面工程屬性且土、石方量可實(shí)時(shí)計(jì)算的三維場(chǎng)坪BIM模型，避免了二維設(shè)計(jì)中因高程不直觀造成的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和工程信息不明顯造成圖紙會(huì)審時(shí)的誤會(huì)，并且以三維空間的角度進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)場(chǎng)坪的土、石方工程量，增加了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的可靠性。

1 站場(chǎng)場(chǎng)坪BIM設(shè)計(jì)

1.1 站場(chǎng)BIM設(shè)計(jì)流程

鐵路站場(chǎng)BIM設(shè)計(jì)基于Bentley-ORD工具與二次開發(fā)正向設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)，主要包括輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、場(chǎng)坪區(qū)域劃分、參數(shù)化模板創(chuàng)建、模板關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)表創(chuàng)建、邊緣排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、場(chǎng)內(nèi)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工程屬性標(biāo)準(zhǔn)定義、工程土石方量計(jì)算統(tǒng)計(jì)等。設(shè)計(jì)前期，利用BIM工具生成符合場(chǎng)坪設(shè)計(jì)要求的地形和線路三維模型作為場(chǎng)坪三維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)環(huán)境，依照鐵路BIM聯(lián)盟發(fā)布的IFC/IFD編碼標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建EC Schema文件[9]，并用設(shè)計(jì)工具按場(chǎng)坪劃分的區(qū)域設(shè)計(jì)并創(chuàng)建整個(gè)場(chǎng)坪區(qū)間的參數(shù)化斷面模板，再結(jié)合設(shè)計(jì)要求與里程信息完成每個(gè)模板在不同里程下關(guān)鍵點(diǎn)的參數(shù)表。在建模時(shí)，利用前期的基礎(chǔ)環(huán)境、模板和參數(shù)表完成場(chǎng)坪區(qū)間的路基、坡面、邊緣排水溝及場(chǎng)內(nèi)排水系統(tǒng)等設(shè)計(jì)建模，并利用二次開發(fā)的工具進(jìn)行工程屬性附加和土石方量計(jì)算。設(shè)計(jì)人員以計(jì)算結(jié)果為參考對(duì)場(chǎng)坪模型進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，最終生成最佳方案場(chǎng)坪模型、圖紙、工程土石方量表，為其余站后專業(yè)提供設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。鐵路站場(chǎng)場(chǎng)坪BIM正向設(shè)計(jì)流程如圖1所示[10]。

圖1 鐵路站場(chǎng)BIM正向設(shè)計(jì)流程

1.2 數(shù)據(jù)輸入

1.2.1 地形模型輸入

根據(jù)測(cè)繪專業(yè)提供的二維地形平面圖，利用Bentley Power Civil平臺(tái)，并結(jié)合自主研發(fā)程序提取等高線、高程點(diǎn)、特征點(diǎn)、特征線、道路、水系、坎、陡崖實(shí)體結(jié)點(diǎn)，通過離散點(diǎn)構(gòu)TIN在Power Civil中建立地形三維模型，其設(shè)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

圖2 地形三維模型設(shè)計(jì)結(jié)果

1.2.2 線路模型輸入

利用基于Bentley軟件自主開發(fā)的線路建模工具和最佳線路方案的數(shù)據(jù)庫(kù)文件，建立線路平、縱斷面線形模型。其中，主要用到的數(shù)據(jù)庫(kù)文件內(nèi)容有平面曲線表、斷鏈表和坡度表，平面曲線表用以創(chuàng)建線路的平面走向，斷鏈表用以控制線路的冠號(hào)里程，坡度表用以創(chuàng)建線路的縱斷面坡度，線路平、縱斷面三維模型如圖3所示。

圖3 線路平、縱斷面三維模型

1.3 站場(chǎng)場(chǎng)坪BIM設(shè)計(jì)工具

由于Bentley-ORD的“斷面模板-廊道拉伸”建模方法對(duì)于創(chuàng)建斷面形狀固定、大長(zhǎng)型BIM模型效率較高，鐵路站場(chǎng)本質(zhì)為沿鐵路線布置的可拉伸、變橫斷面空間體。因此，基于該建模思路，設(shè)計(jì)出站場(chǎng)在整個(gè)站場(chǎng)區(qū)間內(nèi)參數(shù)可變的斷面形式，并通過控制斷面關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)和里程參數(shù)的方式進(jìn)行鐵路站場(chǎng)場(chǎng)坪模型的創(chuàng)建。場(chǎng)坪廊道模板與參數(shù)控制界面如圖4所示。

圖4 場(chǎng)坪廊道模板與參數(shù)控制界面

2 場(chǎng)坪BIM三維設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 站場(chǎng)場(chǎng)坪的類型與內(nèi)容

為保證行車安全和必要的線路通過能力，車站把一條鐵路線路劃分成若干個(gè)長(zhǎng)度不同的站間，車站為相鄰站間的分界點(diǎn)。車站是鐵路運(yùn)輸?shù)幕旧a(chǎn)單位，按其技術(shù)作業(yè)和設(shè)備不同，分為會(huì)讓站、越行站、中間站、區(qū)段站和編組站等[11]。TB 10099—2017《鐵路車站及樞紐設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]規(guī)定：鐵路車站場(chǎng)坪應(yīng)根據(jù)場(chǎng)坪寬度、排水要求和場(chǎng)坪挖填情況，設(shè)計(jì)出適宜坡度的邊緣排水系統(tǒng)和場(chǎng)內(nèi)排水系統(tǒng)，并根據(jù)車站的功能、容量等計(jì)算出工程土、石方量。常用站場(chǎng)場(chǎng)坪系統(tǒng)包含內(nèi)容見表1。

表1 常用站場(chǎng)場(chǎng)坪系統(tǒng)包含內(nèi)容

2.2 站場(chǎng)BIM設(shè)計(jì)方法

通過輸入的線路和地形模型，利用Bentley-ORD工具與二次開發(fā)的模型設(shè)計(jì)插件，進(jìn)行參數(shù)化場(chǎng)坪橫斷面模板庫(kù)創(chuàng)建、斷面關(guān)鍵參數(shù)表創(chuàng)建、場(chǎng)坪邊緣排水系統(tǒng)創(chuàng)建、場(chǎng)坪場(chǎng)內(nèi)橫縱向排水系統(tǒng)創(chuàng)建、參數(shù)化站線繪制，軌道、軌枕、道床參數(shù)化自動(dòng)布置等。以某鐵路越行站為例，對(duì)其場(chǎng)坪工程開展BIM設(shè)計(jì)研究。

2.2.1 站場(chǎng)場(chǎng)坪工程特點(diǎn)

通常情況下，鐵路站場(chǎng)場(chǎng)坪高程相對(duì)單一，即使存在變高程情況，但在同一平面上區(qū)域的高程近似相等，因此在場(chǎng)坪BIM設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)確認(rèn)場(chǎng)坪區(qū)段正線線路的縱斷面數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，避免因線路數(shù)據(jù)錯(cuò)誤而導(dǎo)致廊道拉伸場(chǎng)坪的高程起伏不一、表面不平[13]。某車站場(chǎng)坪工程區(qū)間示意如圖5所示，起始里程為DK481+280，終點(diǎn)里程為DK482+420，全長(zhǎng)為1.14 km，根據(jù)其設(shè)計(jì)要求，該越行站宜為6線越行(含正線)。由于該區(qū)域兩側(cè)傍山，且處于低谷之中，在設(shè)計(jì)過程中著重考慮該越行車站場(chǎng)坪的排水系統(tǒng)。

圖5 某越行車站站場(chǎng)區(qū)間示意

2.2.2 場(chǎng)坪工程參數(shù)化斷面庫(kù)設(shè)計(jì)

根據(jù)場(chǎng)坪的功能要求將場(chǎng)坪劃分成不同的區(qū)域。本站場(chǎng)坪區(qū)域可分解為橋梁端過渡區(qū)、隧道端過渡區(qū)、站房場(chǎng)坪區(qū)、給水所場(chǎng)坪區(qū)、污水處理站場(chǎng)坪區(qū)等。具體斷面設(shè)計(jì)如下。

(1)由于越行站結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，不宜采用多路基本體斷面，故兩端過渡區(qū)場(chǎng)坪設(shè)計(jì)為路基不分層形式，采用變寬度參數(shù)控制雙線正線向6線站線的過渡，無(wú)站臺(tái)越行，橋梁端過渡區(qū)場(chǎng)坪兩側(cè)采用填、挖方坡并存的斷面形式，坡面采用分級(jí)放坡(垂向高度每8 m)，填方坡腳設(shè)置“V”形水溝作為邊緣排水系統(tǒng)的主體；隧道端過渡區(qū)場(chǎng)坪兩側(cè)幾乎全為挖方，為滿足排水能力，在傍大坡區(qū)段設(shè)置水溝與站線場(chǎng)坪平齊。兩端過渡區(qū)場(chǎng)坪斷面如圖6所示。

圖6 兩端過渡區(qū)場(chǎng)坪參數(shù)化斷面

(2)中間場(chǎng)坪區(qū)域除布置站線外，主要在其上布置站房及一些輔助站所。將此區(qū)域場(chǎng)坪設(shè)計(jì)為2個(gè)基本高程，且站房場(chǎng)坪低于站線場(chǎng)坪高程4.2 m，采用變寬度參數(shù)同時(shí)控制線路場(chǎng)坪與站房場(chǎng)坪沿正線方向的尺寸控制。為使站線區(qū)域場(chǎng)坪傍山側(cè)的排水系統(tǒng)能較好地與地形融合，且滿足相應(yīng)位置地形的排水能力，此處的排水溝設(shè)計(jì)為兩種形式，即在傍大坡區(qū)段設(shè)置水溝與站線場(chǎng)坪平齊，大坡面采用分級(jí)放坡(垂向高度每級(jí)8 m)，在無(wú)坡或小坡區(qū)段設(shè)置水溝低于站線場(chǎng)坪。在站房場(chǎng)坪邊緣設(shè)置“V”形排水溝，并在其與場(chǎng)坪之間以1∶1.5的坡比過渡連接。中間場(chǎng)平參數(shù)化斷面如圖7所示。

圖7 中間場(chǎng)坪區(qū)域參數(shù)化斷面

2.2.3 場(chǎng)坪工程斷面參數(shù)表設(shè)計(jì)

基于設(shè)計(jì)的各區(qū)段斷面參數(shù)化模板與場(chǎng)坪沿線里程要求，利用二次開發(fā)設(shè)計(jì)工具，沿里程(每隔20m)對(duì)模板關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)自動(dòng)化設(shè)計(jì)，最終形成各個(gè)模板對(duì)應(yīng)的參數(shù)表文件。參數(shù)表文件包括模板名稱、里程區(qū)段、關(guān)鍵點(diǎn)名稱、參數(shù)類型、參數(shù)對(duì)應(yīng)起止里程、起止里程對(duì)應(yīng)參數(shù)值等。本越行站場(chǎng)坪3號(hào)斷面模板參數(shù)表形式見表2。

表2 越行站場(chǎng)坪3號(hào)斷面模板參數(shù)表形式

2.2.4 基本場(chǎng)坪生成

基于創(chuàng)建的斷面模板及模板上關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)表文件，利用Bentley-ORD的“斷面模板-廊道拉伸”建模方法生成表3所列的4個(gè)區(qū)段的場(chǎng)坪模型。通過精確控制參數(shù)設(shè)置，整個(gè)場(chǎng)坪區(qū)域的全部模型如圖8所示。

表3 越行站場(chǎng)坪里程、模板對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖8 越行站站場(chǎng)場(chǎng)坪基礎(chǔ)模型

2.2.5 場(chǎng)內(nèi)橫、縱向排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以上文創(chuàng)建的站場(chǎng)場(chǎng)坪為基礎(chǔ)，對(duì)Bentley-ORD軟件二次開發(fā)，得到通用站場(chǎng)場(chǎng)坪內(nèi)排水系統(tǒng)參數(shù)化三維快速設(shè)計(jì)工具，然后利用該工具對(duì)本場(chǎng)坪內(nèi)部橫、縱向排水系統(tǒng)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)。由于兩端過渡區(qū)域邊緣排水溝槽達(dá)到所屬區(qū)段的排水要求，因此，僅在中間站房場(chǎng)坪內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的排水溝槽，實(shí)現(xiàn)站房場(chǎng)坪區(qū)、給水所場(chǎng)坪區(qū)、污水處理站場(chǎng)坪區(qū)之間的排水。場(chǎng)內(nèi)橫、縱向排水系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)界面與設(shè)計(jì)后中間場(chǎng)坪排水系統(tǒng)分別如圖9、圖10所示。

圖9 場(chǎng)內(nèi)橫、縱向排水系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)界面

圖10 中間場(chǎng)坪場(chǎng)內(nèi)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.6 工程土、石方量計(jì)算統(tǒng)計(jì)

工程土、石方量計(jì)算是工程預(yù)算的重要組成部分，設(shè)計(jì)人員實(shí)時(shí)計(jì)算出不同方案下的土、石方量數(shù)值，以作為方案比選的指標(biāo)[14-17]。車站場(chǎng)坪屬于鐵路工程中最具代表性的土、石方工程，基于Bentley平臺(tái)開發(fā)場(chǎng)坪土、石方量自動(dòng)計(jì)算統(tǒng)計(jì)工具，以地形模型與場(chǎng)坪模型為輸入量，根據(jù)不同的挖、填方類型，實(shí)現(xiàn)一鍵計(jì)算與統(tǒng)計(jì)場(chǎng)坪的挖、填方量，提高設(shè)計(jì)效率。土、石方統(tǒng)計(jì)界面和越行站站場(chǎng)場(chǎng)坪的挖、填方工程量統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別如圖11、圖12所示。

3 鐵路站場(chǎng)場(chǎng)坪工程信息附加

《鐵路工程信息模型交付精度標(biāo)準(zhǔn)》[18]指出，鐵路工程信息模型的模型單元信息深度應(yīng)與模型精度規(guī)定的相應(yīng)等級(jí)對(duì)應(yīng)，充分、準(zhǔn)確地表達(dá)該模型單元在相應(yīng)設(shè)計(jì)階段的所有必需工程信息，滿足各階段的使用需求。

圖11 場(chǎng)坪工程土、石方計(jì)算統(tǒng)計(jì)工具界面

圖12 越行站場(chǎng)坪的挖、填方工程量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.1 站場(chǎng)場(chǎng)坪工程信息內(nèi)容

鐵路工程信息模型的屬性信息包括幾何信息和非幾何信息，幾何信息宜分解至最底層，并采用結(jié)構(gòu)化方式進(jìn)行存儲(chǔ)；非幾何信息宜根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行分解，部分?jǐn)?shù)據(jù)可采用非結(jié)構(gòu)化方式進(jìn)行存儲(chǔ)。隨著模型精度的遞增，模型單元幾何精度和信息深度應(yīng)按照項(xiàng)目應(yīng)用需求從低幾何精度、低信息深度向高幾何精度、高信息深度遞進(jìn)。場(chǎng)坪工程模型在不同階段對(duì)應(yīng)不同的模型精度，而不同的模型精度又對(duì)應(yīng)著不同的信息深度。結(jié)合《鐵路工程信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》與不同階段的模型精度，站場(chǎng)場(chǎng)坪工程不同階段的模型精度與信息深度見表4。

表4 站場(chǎng)場(chǎng)坪工程不同階段的模型精度與信息深度

3.2 信息添加工具開發(fā)

基于Bentley-ORD平臺(tái)，根據(jù)場(chǎng)坪工程的模型精度與信息深度表開發(fā)其工程屬性附加工具。被工具采用自動(dòng)遍歷所有圖形元素的方式，通過一系列判斷準(zhǔn)則、元素屬性特征與元素間的尺寸關(guān)系，按照不同的精度等級(jí)或階段需求，自動(dòng)完成模型構(gòu)件的屬性附加[19-20]。其工作界面與越行站場(chǎng)坪工程信息附加結(jié)果分別如圖13、圖14所示。

圖13 場(chǎng)坪工程信息附加工具界面

圖14 越行站場(chǎng)坪工程信息附加結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

以改善鐵路站場(chǎng)場(chǎng)坪工程傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)中存在的弊端和實(shí)現(xiàn)鐵路站場(chǎng)場(chǎng)坪工程的BIM正向設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)，以某越行站場(chǎng)坪為研究對(duì)象，基于三維設(shè)計(jì)思路將地形和線路數(shù)據(jù)庫(kù)作為設(shè)計(jì)輸入，建立由三維地形和線路構(gòu)成的場(chǎng)坪三維設(shè)計(jì)環(huán)境?；贐entley-ORD開發(fā)了場(chǎng)坪參數(shù)化橫斷面設(shè)計(jì)工具、橫斷面關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)表制作工具、場(chǎng)坪內(nèi)縱橫排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具、場(chǎng)坪土石方量實(shí)時(shí)計(jì)算工具和場(chǎng)坪工程信息添加工具一系列場(chǎng)坪正向設(shè)計(jì)工具，并利用平臺(tái)與該系列工具完成了某場(chǎng)坪BIM正向設(shè)計(jì)。綜合研究分析，得出如下結(jié)論。

(1)三維場(chǎng)坪設(shè)計(jì)環(huán)境提高了場(chǎng)地設(shè)計(jì)的空間可觀性，避免了因高程造成的設(shè)計(jì)干涉。

(2)橫斷面關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)表按里程控制參數(shù)化斷面的幾何形狀，顯著提高了場(chǎng)坪的三維設(shè)計(jì)效率與準(zhǔn)確性，并實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)坪與地形的完美融合，避免了人為因素導(dǎo)致的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。

(3)場(chǎng)坪土石方量計(jì)算工具與工程信息添加工具，可以實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)工程挖、填方量和高效添加模型全部工程屬性，為后續(xù)專業(yè)開展設(shè)計(jì)工作提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和信息基礎(chǔ)。

(4)采用場(chǎng)坪BIM設(shè)計(jì)方法，使全設(shè)計(jì)過程均處于三維環(huán)境中，很大程度推動(dòng)了鐵路站場(chǎng)場(chǎng)坪數(shù)字化三維正向設(shè)計(jì)。